CN111034346B - 接入点设备和控制具有该设备的自动驾驶运载工具的方法 - Google Patents
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Abstract
接入点设备和控制具有该设备的自动驾驶运载工具的方法。具有无线接入通信接入点设备的自动驾驶运载工具被设置为：通过扫描以检测从另一个无线通信接入点的传输来在覆盖“空洞”中建立基站(步骤104)，并确定来自其它无线通信接入点1的覆盖质量下降的方向(步骤105)，并引导自动驾驶运载工具沿着覆盖降低的方向移动(步骤103、113)，直到到达覆盖的边界(106)，在该边界处自动驾驶运载工具切换到另一个基站，或者如果没有其它基站可用，则设置为通过最后一个基站连接到回程连接的无线通信点。
Description
技术领域
本发明提供了一种针对移动网络覆盖挑战(通常被称为“覆盖空洞”，其中没有移动网络信号或信号弱)的解决方案。
背景技术
出于经济和物理性质或者两者的混合等许多原因，会发生覆盖空洞。例如，对于偏远地区，由于人口密度以及所需工程作业量，光纤宽带网络部署特别难以在商业上证明其合理性。在对移动覆盖有临时高需求的情况下(例如，在音乐或体育赛事中，或在自然灾害或紧急情况下)，技术-经济障碍的相似融合也会发生。这样的高需求区域并不总是在移动网络信号的覆盖内，这给***带来了不便，并且使运营商错失了机会。即使在移动覆盖可用的地方，临时事件也可能导致对比安装基站所能处理的容量更大的容量的需求。另一个应用区域是在偏远区域的科研任务中，其中人员以及设备数据交换需要移动连接。
在许多有人驾驶解决方案不可行的情况下，利用自动驾驶或远程控制设备(有时称为“无人机”)。它们也被称为UAV、UGV、USV或UUV(无人空中/地面/水面/水下运载工具)。近年来，自动驾驶运载工具应用的可行性已被多次证明，例如使用空中无人机。随着技术的显著进步，这种运载工具的单价有望降低，而先进智能解决方案的大小和价格也将减少。例如，已经可以生产低于约500克的商品基站(例如毫微微小区)。专用自动驾驶运载工具解决方案有望实现更好的技术特性。
文章“Extending Cell Tower Coverage through Drones”(Dhekne等人，Hotmobile ′17，https://experts.illinois.edu/en/publications/extending-cell- tower-coverage-through-drones和“Distributed Collaborative Path Planning inSensor Networks with Multiple Mobile Sensor Nodes”(Lambrou等人，17thMediterranean Conference on Control&automation，Thessaloniki，2009年6月)描述了响应于移动终端的需求而部署以改善区域覆盖的传感器节点。这两种***都是通过检测需要连接的终端来驱动的，因此不适合用于预期需求。第二个参考文献考虑了通过数据库确定的固定基站的位置，但是没有考虑实际信号质量是否已经足够，或者相邻基站是否可用于回程目的。特别地，它没有考虑附近是否有任何其它自动驾驶自部署节点正在工作。
另一个参考文献GB2532966描述了一种***，其中安装有无人机的无线站作为现有基站和移动站之间的中继工作，并且为了使该链路的信号质量最大化而移动。
发明内容
根据本发明，如所附权利要求中限定的，提供了一种无线接入通信接入点设备，所述无线接入通信接入点设备被设置为识别需要改善的无线覆盖的位置并移动到该位置，所述无线接入通信接入点设备具有：扫描***，所述扫描***用于检测来自一个或更多个其它无线通信接入点的传输；处理器，所述处理器用于确定所述其它无线通信接入点的覆盖质量劣化的方向；导航***，所述导航***用于在沿着由所述处理器确定的方向上引导移动；以及推进和转向***，所述推进和转向***用于在所述导航***的控制下移动所述接入点设备，所述处理器被设置为识别处于由另一个无线接入点提供的覆盖的边界处的位置，并且在如此识别的位置处作为接入点发起操作。
本发明还提供了如所附权利要求中限定的一种控制具有无线接入通信接入点设备的自动驾驶运载工具的方法，所述方法包括以下步骤：
-扫描以检测来自一个或更多个其它无线通信接入点的传输，
-确定所述其它无线通信接入点的覆盖质量劣化的方向，
-引导所述自动驾驶运载工具沿着覆盖降低的方向移动，
-识别由所述其它无线接入点提供的覆盖的边界处的位置，以及
-在如此识别的位置处作为接入点发起操作。
与上述现有技术***不同，本发明不依赖于与移动终端的任何协作，也不寻找优化来自给定基站的信号的位置(如在上述中继***中的情况那样)。相反，它寻找信号质量当前最低的位置，并且这样做无需考虑当前是否存在任何移动站。
如果接入点检测到该接入点处于与之通信的无线通信接入点的覆盖的边界处时，该接入点设法切换到另外的无线通信接入点，并且如果切换成功，则继续沿着所述另外的接入点的覆盖质量劣化的方向移动，直到发起另外的切换或到达由其它无线接入点提供的覆盖的边界为止。无线通信接入点设备可以识别由多个其它无线接入点提供的覆盖质量最低的位置，并且(也就是说，来自各个无线接入点的覆盖质量同样很差，因此朝向任一个无线接入点的移动都将到达更好覆盖的区域)，然后在如此识别的最低质量位置处作为接入点发起操作。
可以通过连接到无线通信接入点设备的无线接入点来建立回程中继通信。一系列此类接入点可用于建立到回程连接的中继。
可以根据一个或更多个特性(诸如，信号强度、误码率等)或失败的连接尝试的次数(指示信号强度足够但容量有限)来测量覆盖质量。
可以使用定向天线确定其它接入点的覆盖质量降低的方向，或者可以将其配置为在搜索模式下引导所述导航***以识别当前服务接入点的覆盖质量降低的方向。
本发明涉及具有导航功能和智能的自动驾驶运载工具的部署，该导航功能和智能将自动驾驶运载工具定位在可以扩展无线网络覆盖的位置，以充当已经存在该覆盖的区域与“覆盖空洞”区域的一部分之间的中继。根据要覆盖的地形的性质，运载工具本身可以是空中、地面、浮动或两栖飞行器。在空中飞行器的情况下，它可能是比空气轻的设备或有翼飞机，但是在任何一种情况下，要么被系绳，要么具有控制***，以便一旦被部署就保持就位。通信回程可以是通过无线连接，也可以是如果设备被系绳，则通过与系绳关联的连接。对于重量是重要约束的机载***，也可以通过系绳供电。
本发明的实施方式允许商业服务在全尺寸永久装置在经济上或物理上具有挑战的区域中的经济和快速提供，例如在受自然灾害或紧急情况(诸如洪水、火灾或地震)影响的区域中，或在偏远但人口稠密的区域中或偏远的科学基地，或诸如节日的特殊事件期间。由于运载工具本身通过对环境的观察来确定该运载工具的最佳位置，因此它们可以允许已部署运载工具的高度自动驾驶。自动驾驶减少了对人工干预的需求，并且在如上所述限制人力时间资源的情况下特别有用。由于网络被被动地部署，因此可以随着条件变化来动态地优化覆盖——例如，如果区域中的固定基站开始发送或停止发送，则自动驾驶运载工具可以自动地移动至新位置以考虑环境的变化。类似地，如果在同一区域中部署了多于一个自动驾驶运载工具，则它们将自动地寻找最佳部署配置。
附图说明
将参考附图通过示例的方式描述本发明的实施方式，其中
图1示出了自动驾驶运载工具的部署的示例场景。
图2是被配置成根据本发明进行操作的自动驾驶运载工具的示意图。
图3是例示根据本发明的自动驾驶运载工具的操作的流程图。
图4是图3所示的处理的一部分的细节。
图5和图6示出了可以与本发明实施方式一起使用的搜索策略。
具体实施方式
图1描述了用于自动驾驶运载工具的部署的可能场景。在该示例中，三个基站1、2、3在各自小区A、B和C中提供覆盖以形成永久网络，该永久网络将被扩展以向“覆盖空洞”D提供服务。将理解，由于信号质量会随着距离和地形而降低，并且其它因素可能影响给定基站在不同方向上的范围，因此实际上没有用清晰绘制的圆来定义小区的覆盖区域。如图1中的区域E所示，“覆盖空洞”也可以出现在被覆盖区域围绕的区域中，从而仍然无法保持可靠接收。
图1还示出了具有由点划线20描绘的覆盖区域的自动驾驶运载工具10。该自动驾驶运载工具可以将来自现有基站1的信号用作可能在该现有基站1的覆盖区域内的用户的回程。注意，图中表示的覆盖区域仅用于说明目的，例如，自动驾驶运载工具的覆盖可以与基站的覆盖相当，或者基站覆盖可以指向特定方位角区间。特别地，利用LTE和5G***的新兴波束成形功能，基站1可以基于本地或后台功能将波束专用于自动驾驶运载工具10的回程或方向，这可能影响运载工具的自动驾驶决策。
另外的自动驾驶运载工具11、12可以“菊花链”形式彼此连接，以在“覆盖空洞”D内提供具有连续覆盖的区域20、21、22。在这种情况下，自动驾驶运载工具之间的潜在干扰可以使用常规方法(诸如资源划分)来解决。
图2是被配置成根据本发明进行操作的自动驾驶运载工具10的示意图。主要功能元件是运载工具平台30、运动处理器40、无线电模块50和电力***60。
运载工具平台30提供使自动驾驶运载工具能够改变其位置的功能。在地面部署的情况下，运载工具平台30可以包括：驱动多个车轮32的马达31、以及合适驻车制动器，该驻车制动器用于当自动驾驶运载工具处在其选定位置处时将该自动驾驶运载工具保持在该位置处。在部署在水中的情况下，马达将替代地驱动螺旋桨或叶轮，并且将提供锚固件或其它固定设备以将设备固定在其选定位置。在机载环境中，马达驱动将使用的推进***移动就位，然后保持在该位置。通常，这样的设备将被系绳到地面站，以防止其漂移并提供电力。
运动处理器40包括处理单元41，处理单元41负责基于来自传感器42、43和来自无线电接口50的输入来确定行进方向。传感器42、43可以是近程传感器或其它类型的环境传感器，以允许车载平台越过障碍物，而无线电输入50根据接收到的信号强度和其它信道质量度量向运动处理器提供数据。
无线电模块50还负责与现有网络1、2、3进行无线电通信，以用于提供回程连接、用于向自动驾驶运载工具的覆盖区域20中的用户提供信号(其中，自动驾驶运载工具充当基站)、以及用于为了回程或协调目的而与其它自动驾驶运载工具11、12进行的对等通信。天线***51连接到模块。根据应用，它可以包括外部天线、内部天线或可伸缩天线。可以为不同的通信功能提供单独的天线。例如，可以提供全向(或方位)天线以用于与覆盖区域内的移动终端通信，以及用于部署位置的初始搜索；并且可以提供一个或更多个定向天线以用于回程和对等功能。
电力***60包括与太阳能电池板62相关联的电池61，其可以被部署为提供电力以用于移动和无线电通信。另选实施方式可以例如通过空中平台和地面站之间的系绳(tether)来使用外部电源。将认识到，无线电接口将仅在搜索和移动阶段期间处于接收模式，并且直到位置被选择，都不需要电力用于无线电传输，此后，除了可能需要电力来保持位置的空中应用以外，可以关闭车载***。
图3是示出根据本发明的用于操作自动驾驶运载工具的一般处理的流程图。该处理在某种程度上取决于自动驾驶运载工具被部署的目的(例如，灾难恢复情况在某些方面与音乐节情况有所不同)，但是图3示出了自动驾驶运载工具可以遵循的总体策略。响应于来自无线电接口50和传感器42、43的输入，在运动处理器模块41中实施这些过程，并将输出提供给牵引***30和无线电接口50。该处理将被描述为分别用于确定行进方向和用于重定位的两个主要子处理60、70。
在加电时(步骤100)，自动驾驶运载工具扫描环境并可以作为用户设备(UE)附接到网络(步骤101)，例如以下载指令。否则，或者如果与后端***的连接不可用，则自动驾驶运载工具可以继续以扩展网络覆盖为默认目标进行操作，如下所述。
在附接之后，自动驾驶运载工具执行网络扫描(102)，以收集对环境的观察结果，诸如相邻小区的身份及其接收功率水平。
将这些网络环境观察结果提供给运动处理器，以决定自动驾驶运载工具的移动方向(步骤103)。如果可用，也可以使用诸如GPS定位的其它数据。此处描述了基本搜索策略，但是可以提供更高级和复杂的处理和方法以适于各个应用。
默认策略的原理是：在服务小区的信号质量衰减的方向上移动(步骤104)，同时继续监测服务小区的信号质量(步骤105)，并在可用的情况下切换到邻居小区(步骤106)，继续上述过程直到没有其它切换候选可用为止(步骤107)，然后在当前服务小区的覆盖边缘处停止(步骤108)。
例如，可以遵循LTE[TS36.331]中使用的基于事件的测量触发器的原理来实现其它策略，其中针对一组事件监测服务基站信号。图4使用这样的触发器更详细地描绘了步骤103-106的处理。在该策略中，利用测量结果来控制自动驾驶运载工具的运动处理器41。特别是，一旦无人机运动，就可以监测服务小区RSRP(步骤104)并在条件触发LTE事件A2(具有适当调整的阈值和滞后值，保持为真)时继续移动(步骤114)。当服务小区变得比阈值差(即，Meas+Hyst<Threshold时，其中Hyst是小滞后值，用于使测量中的瞬时波动平稳)时，将触发LTE标准中指定的事件A2。在本发明的情况下的阈值将是先前测量结果(在每次迭代中被重置，步骤116)，使得差值Meas-Threshold的结果为负。可以在考虑无人机运动和地形类型的细节的情况下实现滞后的调整，以防止无人机离开小区的覆盖区域。类似地，该策略的一个战术要素可以是移动方向的改变(步骤113)，如果事件A1被触发(步骤115-当服务小区变得比阈值更好时事件A1被触发)，则表明无人机正在接近服务小区的中心。
可以使用定向天线来实现服务站的衰减方向的确定，该定向天线可以确定服务站位于哪个方向，使用哪些数据来引导运载工具沿着相反方向移动。一个较简单但较慢的***可以通过以下方式使用试错法：沿给定方向移动，检测新位置处的信号强度变化，并根据质量是增加、降低还是保持不变来调整下一个移动质量的方向。
停止之后，自动驾驶运载工具开始充当中继(步骤109)，以向其覆盖区域内的用户提供服务。自动驾驶运载工具可以使用RSRP、LTE同步信号或其它信号功率或KPI来确定上述“信号质量”。还可以通过在服务基站处实现的波束成形功能将自动驾驶运载工具引导至期望位置。
这样的过程将意味着自动驾驶运载工具将停在覆盖的边缘处，并将覆盖扩展至覆盖空洞。
当前位置的重新评估(步骤110)可以被定期执行，也可以响应于无线电环境的变化(诸如，回程连接的劣化或永久设施的安装)而执行。再次，策略的细节将取决于环境，但是可以安装默认策略，在该默认策略中，如果信号变得明显更好，则自动驾驶运载工具通过进一步移动远离来对服务小区(或者是在菊花链连接的情况下服务于自动驾驶运载工具)中的变化做出反应(步骤111)，但是如果信号变得更差(因为这可能会中断该链)，则自动驾驶运载工具将不会后退，以在覆盖空洞区域内进一步依赖自动驾驶运载工具。因此，在这种情况下，应谨慎选择上述信号质量指示符的阈值。
其它情况也是可能的，例如，自动驾驶运载工具可以通过后退到覆盖内并再次重新开始自部署处理来启动覆盖的重配置。
图5和图6示出了根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的自动驾驶运载工具可以如何寻找合适部署位置。实施方式之间的差异在于用于识别服务基站的信号衰减方向的搜索策略(图3中的步骤103)。在第一实施方式中，使用定向天线。在第二实施方式中，使用全向天线，并且衰减方向是通过试错确定的。
在图5和图6中，存在两个固定基站1、2，并且自动驾驶运载工具10正在寻找要部署的合适位置，以便可以扩展覆盖。应当注意，在该简化示例中，在两种情况下发现的位置(83、99)是不同的，但是当部署了多个这样的自动驾驶运载工具时，两种情况下的总覆盖趋向于相似的结果。在搜索期间中找到的连续位置由标记80、81、82、83；90、91、92、93……99等表示。实际上，检测和航向校正将在比图中所示的距离短得多的距离上进行。
在第一示例(图5)中，自动驾驶运载工具在位置80处开始。自动驾驶运载工具确定其在基站1的范围内并且附接到该基站(步骤101)。然后，测量基站的信号强度和方向(步骤103)，并在确定该信号强度和方向不接近阈值信号质量时，它在远离基站的方向上移动到第二位置81，在第二位置81处，自动驾驶运载工具确定信号质量现在已经劣化到阈值以下(步骤105)，并且可以切换到另一个基站2(步骤106)。自动驾驶运载工具现在位于第二基站的范围内，然后移动到第三位置82。确定第二基站2的方向(步骤103)，并且自动驾驶运载工具沿相反方向移动，直到它到达位置83，在位置83处信号质量再次下降到阈值(步骤105)。因为在这种情况下不可能进行进一步切换(步骤107)，所以自动驾驶运载工具10停止(步骤108)并激活其中继功能109。
在第二示例(图6)中，自动驾驶运载工具在位置90处开始。自动驾驶运载工具确定其在基站1的范围内并且附接到该基站(步骤101)。然后，它测量基站的信号强度(步骤103)，并且在确定该信号强度不接近阈值信号质量时，它移动到第二位置91，在第二位置91处重复该处理。在该实施方式中，无线电接口不具有定向能力，因此尽管利用了来自近程传感器42、43的输入，但是仍在随机方向上进行初始移动。在该示例中，在第二位置91处检测到的信号质量与在第一位置90处检测到的信号质量相似，这表示运载工具在基站1周围“探明边界”，因此，在一个或更多个后续迭代(92、93)中尝试不同的方向，直到发现信号质量劣化的方向为止(步骤94)。然后，自动驾驶运载工具仍位于第一基站的范围内，然后继续沿该方向移动，直到自动驾驶运载工具到达确定信号质量已劣化到阈值以下的位置(95)(步骤105)，然后可以切换到另一个基站2(步骤106)。然后，自动驾驶运载工具再次搜索移动方向(96、97、98)，直到该自动驾驶运载工具到达信号质量再次下降至阈值的位置99(步骤105)。因为在这种情况下，不可能进行进一步切换(步骤107)，所以自动驾驶运载工具10停止(步骤108)并激活其中继功能109。
可以看出，第二搜索策略比第一搜索策略慢，但是不需要定向天线来识别行进方向。
在存在多个基站的情况下，搜索策略将导致移动单元根据哪个基站最接近来在基站之间进行切换。它最终将在最小点(诸如，图1中的“E”)处到达平衡，在该最小点处(来自一个基站或其它基站的)信号质量在该单元可以行进的任何方向上改善。因此，这确定了要定位的临时基站的最佳点。
Claims (11)
1.一种无线通信接入点设备，所述无线通信接入点设备被设置为识别要求改善无线覆盖的位置并移动到该位置，所述无线通信接入点设备具有：扫描***，所述扫描***用于检测来自一个或更多个其它无线通信接入点的传输；处理器，所述处理器用于确定所述一个或更多个其它无线通信接入点的覆盖质量劣化的方向；导航***，所述导航***用于引导沿着由所述处理器确定的方向的移动；以及推进和转向***，所述推进和转向***用于在所述导航***的控制下使所述无线通信接入点设备移动，所述处理器被设置为将由所述一个或更多个其它无线通信接入点提供的覆盖质量最低的位置识别为由所述一个或更多个其它无线通信接入点提供的覆盖的边界处的位置，并且在如此识别的位置处作为接入点发起操作，
所述无线通信接入点设备被设置为：当检测到所述无线通信接入点设备处于与之通信的无线通信接入点的覆盖的边界处时，所述无线通信接入点设备设法切换到所述一个或更多个其它无线通信接入点中的另外的无线通信接入点，并且如果切换成功，则继续沿着所述另外的无线通信接入点的覆盖质量劣化的方向移动，直到发起另外的切换或所述无线通信接入点设备到达由所述另外的无线通信接入点提供的覆盖的边界处为止。
2.根据权利要求1所述的无线通信接入点设备，所述无线通信接入点设备被设置为通过连接至所述无线通信接入点设备的无线接入点建立回程中继通信。
3.根据权利要求1所述的无线通信接入点设备，所述无线通信接入点设备具有用于检测一个或更多个其它无线通信接入点的覆盖质量降低的方向的定向天线。
4.根据权利要求1所述的无线通信接入点设备，其中，所述处理器被配置为在搜索模式下引导所述导航***，以识别当前服务的一个或更多个接入点的覆盖质量降低的方向。
5.根据权利要求1所述的无线通信接入点设备，所述无线通信接入点设备被配置为作为在一个或更多个另外的无线通信接入点与回程连接之间的中继来操作。
6.一种控制具有无线通信接入点设备的自动驾驶运载工具的方法，所述方法包括以下步骤：
-扫描以检测来自一个或更多个其它无线通信接入点的传输，
-确定所述一个或更多个其它无线通信接入点的覆盖质量劣化的方向，
-引导所述自动驾驶运载工具沿着覆盖降低的方向移动，
-将由所述一个或更多个其它无线通信接入点提供的覆盖质量最低的位置识别为由所述一个或更多个其它无线通信接入点提供的覆盖的边界处的位置，以及
-使所述自动驾驶运载工具的无线通信接入点设备在如此识别的位置处作为接入点发起操作，
其中，所述无线通信接入点设备：
-与第一无线通信接入点建立通信，
-确定所述第一无线通信接入点的覆盖质量降低的方向，
-引导所述自动驾驶运载工具沿着覆盖降低的方向移动，
-识别由所述第一无线通信接入点提供的覆盖的边界处的位置，
-在如此识别的位置处，尝试切换到第二无线通信接入点，
-如果能够进行切换，则对所述第二无线通信接入点和任何后续无线通信接入点重复前述步骤，
-如果无法进行切换，则作为接入点发起操作。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述无线通信接入点设备通过当前与所述无线通信接入点设备通信的无线接入点建立回程中继通信。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，通过利用定向天线的扫描来执行所述其它无线通信接入点的覆盖质量降低的方向的确定。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，通过在搜索模式下导航以识别当前服务的接入点的覆盖质量降低的方向，来执行所述其它无线通信接入点的覆盖质量降低的方向的确定。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，顺序部署多个自动驾驶运载工具，各个自动驾驶运载工具具有各自的无线通信接入点设备，各个这样的运载工具识别由固定无线通信接入点和先前部署的任何自动驾驶运载工具提供的无线覆盖的边界，并且在如此识别的无线覆盖的边界处作为接入点发起操作。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，与各个自动驾驶运载工具相关联的无线通信接入点设备彼此通信，以提供通过与一个或更多个所述无线通信接入点设备通信的至少一个固定网络接入点连接至回程***的中继网络。
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